Автор: Kelvin Hagebeuk, Менеджер по маркетингу, Test & Measurement Yokogawa Europe B.V.
Электромобили требуют целого ряда высокопроизводительных и универсальных испытательных приборов
С ростом осознания вреда, который может нанести ископаемое топливо, наблюдается резкий рост популярности электромобилей. Но уверены ли потенциальные водители и покупатели электромобилей в том, что эти транспортные средства могут дать им то, что им нужно? Чтобы рынок электромобилей действительно начал развиваться, потребители должны знать, что электромобили имеют необходимый запас хода, производительность, надёжность и управляемость.
Чтобы доказать это, производителям приходится разрабатывать режимы всестороннего испытания, чтобы убедиться, что их новый автомобиль соответствует ожиданиям. Многочисленные компоненты и системы, включая аккумулятор и двигатель, трансмиссию и коробку передач, электронные системы и системы связи, требуют проведения широкого спектра испытаний, а также нуждаются в системах регистрации и анализа данных. Многие из этих компонентов влияют на работу или производительность последующих систем, поэтому используемые приборы должны быть способны регистрировать и сравнивать множество типов данных одновременно из нескольких источников, как электрических, так и механических.
Такие типы высокопроизводительного испытательного оборудования позволят производителям собирать большие объёмы данных в течение сотен часов, которые предоставят им аналитические выводы, необходимое для улучшения их конструкций. Если использовать подсистемный подход к испытаниям, то можно выделить три основные подсистемы, связанные с электропитанием электромобилей.
В них входят:
- Зарядка – батареи, системы контроля зарядки, рекуперативное торможение.
- Силовой агрегат – подсистема инвертора для подачи электроэнергии и соответствующих сигналов управления.
- Двигатели – трёхфазные бесщёточные двигатели постоянного тока, используемые в различных приложениях.
Зарядка
Прежде всего, водители электромобилей должны знать, что их автомобиль имеет необходимый запас хода и эффективность, поэтому система зарядки играет решающую роль в обеспечении доверия потребителей.
Жизненно важной задачей является определение характеристик зарядки и разрядки аккумулятора. Решение для проведения измерения здесь должно измерять положительные и отрицательные циклы мощности с высокой частотой дискретизации.
Основной причиной перехода на электромобили является экономия энергии, а рекуперативное торможение, собирающее энергию при торможении и использующее её позже для обеспечения ускорения, является одним из основных плюсов. Анализ данной функции предполагает использование многоканальных анализаторов мощности, которые могут измерять электрическую мощность, эффективность и потери в системах рекуперации, а также собирать данные с тормозной системы и генератора двигателя. Одним из основных препятствий для широкого распространения электромобилей является проблема нехватки заряда. Возможным решением этой проблемы является беспроводная зарядка (Рисунок 1). Системы беспроводной зарядки, построенные на двух электромагнитных катушках для поддержки определённых частотных профилей, должны показать, что они могут эффективно передавать энергию и предотвращать её потерю. Для этой цели часто требуется оценка производительности на частотах до нескольких сотен килогерц и при низких коэффициентах мощности.
Рисунок 1: Проблемы запаса хода решаются с помощью беспроводной зарядки
Для такого режима испытаний потребуются прецизионные измерители мощности, которые сочетают в себе измерения по времени, используемые осциллографами, с функциями анализаторов мощности. Это позволяет им выполнять стандартные многофазные измерения мощности, а также анализировать формы сигналов, которые могут иметь переходные составляющие.
Помимо электрических сигналов, необходимы решения, позволяющие оценивать электромеханические взаимосвязи между компонентами и системами – их также нужно записывать в течение длительных периодов времени, вплоть до 200 дней. Компания Yokogawa удовлетворила данную потребность с помощью ScopeCorder, регистратора сбора данных, который сочетает в себе осциллограф смешанных сигналов с многоканальной, многоскоростной системой сбора данных, обеспечивающей долговременную запись. Для регистрации электромеханических событий устройство может быть подключено к 21 типу входных модулей, включая модули напряжения/температуры, модули ускорения/напряжения и модули деформации. Активированные датчики и системы связи также будут влиять на нагрузку и эффективность батареи, а регистратор сбора данных позволяет разработчику оценить их влияние.
Силовой агрегат
Производителям электромобилей необходима точная оценка управления двигателем и инвертором для достижения более высокой точности и эффективности. Им также необходимо анализировать формы сигналов инвертора без помех от коммутационного шума. Идеальным решением для проведения испытаний для таких приложений является единый анализатор мощности, который подключается ко всем основным компонентам – батарее, усилителю, преобразователю и трёхфазному двигателю. Он также собирает механические измерения от датчиков крутящего момента и скорости. Это даёт полную картину крутящего момента, скорости вращения и направления, в сочетании с электрическими параметрами, такими как напряжение, ток и мощность (Рисунок 2).
Рисунок 2: Прецизионный измеритель мощности и ScopeCorder идеально подходят для тестирования силового агрегата
Для оценки электромеханических событий, особенно в течение длительного времени, лучше всего использовать регистратор сбора данных. Благодаря гибким входам он может объединить электрические и физические измерения в едином обзоре, а также предоставить измерение частоты, температуры, искажений, ускорения и других сигналов. В измерении эффективности и сравнении гармоник высшего порядка между входом и выходом заключается основная роль анализатора мощности, который также может использоваться для измерения таких параметров, как электрический угол, скорость и направление вращения.
Двигатели
Современные автомобили также используют двигатели во многих других приложениях, среди которых гидроусилитель руля, автоматические двери, окна и зеркала. Во многих из этих приложений используются бесщёточные двигатели постоянного тока (BLDC). Для их оценки производителям необходимо проводить многоканальные измерения параметров в реальном времени, включая входную мощность постоянного тока, выход трёхфазного инвертора, а также обратную связь от двигателя и датчиков по таким параметрам, как вибрация, число оборотов, угол и температура.
Используя гибкие модульные входы, которые могут сочетать электрические и физические измерения, ScopeCorder может предоставлять данные о частоте, температуре, искажениях, ускорении и других сигналах (Рисунок 3). В таких двигателях также необходимо оценивать характеристики переходного процесса. Их можно оценить с помощью измерителей мощности очень подробно и с высокой точностью, сравнимой с анализаторами мощности.
Рисунок 3: ScopeCorders может предоставлять данные по широкому спектру параметров для различных применений двигателей электромобилей
Полный обзор
Часто бывает необходимо свести эти измерения воедино, чтобы получить общее представление о работе системы. Однако свести сигналы от разных приборов в единое представление бывает непросто, что затрудняет поиск взаимосвязей между измерениями. Программная платформа IS8000 компании Yokogawa обеспечивает тесную интеграцию синхронизации, управления и сбора данных с нескольких приборов. Это позволяет быстро настроить и легко управлять всеми необходимыми приборами, предоставляя инженерам-разработчикам возможность быстрее и эффективнее приступить к измерению данных (Рисунок 4).
Рисунок 4: Программная платформа IS8000 компании Yokogawa объединяет данные с нескольких приборов
За пределами опытной лаборатории
Помимо исследований и разработок, электромобили необходимо тестировать в процессе производства. Потребуется новое, более портативное испытательное оборудование, с приборами, позволяющими проводить испытания различных параметров в различных климатических и дорожных условиях. Портативная версия прибора ScopeCorder компании Yokogawa может использоваться вместе с различными модулями для тестирования реальных условий в управляемом автомобиле.
С более широким использованием электромобилей возрастёт потребность в послепродажном тестировании батарей, чтобы убедиться, что батарея вырабатывает требуемую мощность и не деградирует. Системы регенеративной энергии также нуждаются в оценке. Испытательные приборы в целом столкнутся с проблемой сбора и оценки значительно возросшего объёма данных от таких систем, как высокоскоростные инверторы. Как следствие, эти приборы должны стать быстрее, более адаптируемыми и иметь большую память.
Компания Yokogawa уже много лет производит высокоточные и высококачественные приборы для автомобильной промышленности. Её новейшие измерительные приборы оптимизированы для выполнения задач по тестированию и разработке электромобилей. Своими приборами и услугами по калибровке компания Yokogawa пытается поддержать следующее поколение устойчивых технологий, и электромобили являются важной частью этого процесса.